基本信息
- 项目名称：
- 一维光子晶体的制备和特性研究
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本文通过软件模拟和实验制备、测试的手段，研究了一维光子晶体的带隙机理及其基本特性。采用MPB软件和MEEP软件对光子晶体结构参数对其带隙结构的影响进行了研究。提出并制备了一种具有可控介电常数特性的电介质材料。采用该电介质材料与泡沫薄板组装了一种一维微波段光子晶体，并从实验上测得其带隙中心频率为9.3GHz，带隙宽度500MHz。所制光子晶体在微波段滤波器的设计方面具有很大的应用前景。
- 详细介绍：
- 本文通过软件模拟和实验制备、测试的手段，研究了一维光子晶体的带隙机理及其基本特性。采用MPB软件和MEEP软件对光子晶体结构参数对其带隙结构的影响进行了研究。利用以上两种软件不仅可以得到光子晶体的带隙结构，还可以清楚的看到电磁波在光子晶体内部的传播情况，得到电磁波的透射和反射谱线。 提出并制备了一种新的用以组装一维光子晶体的具有可控介电常数特性的电介质材料。该电介质材料是由钛酸钡粉末混合聚二甲基硅氧烷胶体制备而成。利用该材料可以制备成具有宏观尺寸（厘米量级）的稳定介质。本通过实验测量出了电介质材料的相对介电常数与其两组分配比的关系曲线，可以通过改变电介质材料两组分的混合比，来控制电介质材料的相对介电常数。采用该电介质材料与泡沫薄板组装了一种一维微波段光子晶体，并从实验上测得其带隙中心频率为9.3GHz，带隙宽500MHz。所制光子晶体在微波段滤波器的设计方面具有很大的应用前景。我们已与西安航天恒星公司达成合作意向，将利用制备的电介质材料研制一维光子晶体滤波器。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：对一维微波段光子晶体进行理论和实验上的研究；制备了一种光子晶体，并对其色散特性进行了测量。 思路：利用MPB和MEEP软件对一维光子晶体进行计算机模拟计算和分析；采用PDMS混合BaTiO3粉末的方法制备出具有高介电常数的电介质材料，并且通过实验测试得出混合材料的相对介电常数与PDMS/ BaTiO3配比的关系曲线；利用制备的电介质材料与泡沫薄板组成一维光子晶体，并测量其色散特性。
科学性、先进性及独特之处
- 科学性：一维光子晶体的折射率只在一个方向上呈现周期性变化。可以通过改变其结构参数而改变光子带隙。 先进性：对一位光子晶体进行了仿真和实验研究，具有重要的额研究意义和技术水平。实验方法可推广到二-三维光子晶体研究，并可对其他光学性质进行研究和测定。 独特处：在MPB和MEEP软件分析的基础上，制备了一种新的具有可控介电常数特性的电介质材料。利用该材料组装成具有宏观尺寸的一维微波段光子晶体。
应用价值和现实意义
- 作品所制得光子晶体的带隙位于微波段，并且具有一定的宏观尺寸。这种材料非常适合作为大学物理实验室有关光子晶体方面的实验教学材料。另外，一维微波段光子晶体具有直观、可控光子带隙的优良特性。可以将其用于微波滤波器的研制。本作品已与西安航天恒星公司达成合作意向，将利用所制备的电介质材料研制一维光子晶体滤波器。另外，本作品中的实验方法也具有推广价值。
学术论文摘要
- 本文通过软件模拟和实验制备、测试的手段，研究了一维光子晶体的带隙机理及其基本特性。首次采用MPB软件和MEEP软件对光子晶体结构参数对其带隙结构的影响进行了研究。提出并制备了一种新的用以组装一维光子晶体的具有可控介电常数特性的电介质材料。采用该电介质材料与泡沫薄板组装了一种一维微波段光子晶体，在微波段滤波器的设计方面具有很大的应用前景。 不同于Matlab等传统数理分析软件，采用MPB和MEEP软件不仅可以得到光子晶体的带隙结构，还可以得到电磁波的透射和反射谱。另外，只需在软件中改变光子晶体的结构参数，便可模拟输出新的光子带隙和透射谱。电介质材料是由钛酸钡粉末混合PDMS胶体制备而成。利用该材料不仅可以制备成具有宏观尺寸（厘米量级）的稳定介质，还可以通过改变电介质材料两组分的混合比，来控制其相对介电常数。实验上测得所组装光子晶体的其带隙中心频率为9.3GHz，带隙宽度500MHz。我们已与西安航天恒星公司达成合作意向，将利用制备的电介质材料研制一维光子晶体滤波器。另外，本文的实验方法也具有推广价值：可推广到二-三维光子晶体研究，并可对其他光学性质进行研究和测定。
获奖情况
- 本作品的部分研究成果发表于《光学学报》2009年第8期。 本作品获第七届“挑战杯”陕西省大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。
鉴定结果
- 本作品已获得西安航天恒星公司的认可，并达成合作意向。将利用本作品中所制备的电介质材料研制一维光子晶体滤波器。
参考文献
- 1 Yablonovitch E. Inhibited spontaneous emission in solid state physics and electronics[J]. Phys Rev Lett, 1987, 58(20): 2059～2061 2 John S. Strong.Localization of photons in certain disordered dielectric superlattices[J]. Phys Rev Lett, 1987, 58 (23):2486～2489 3 温熙森. 光子/声子晶体理论与技术[M]. 北京：科学出版社，2006，160～161 4 曾辉,杨亚培. FDTD法与平面波展开法在光子禁带计算中的差异分析.电子科技大学学报[J]. 2005, 34(6):901～904 5张宝峰,廖惕生. 测量介质微波吸收的实验研究[J].大学物理,2000,19(8):33-35 5 刘艳荣.一维光子晶体滤波器的研究进展[J].国外电子元器件，2008，9：88-89 6 舒森，陈名松.一维光子晶体滤波器的设计[J].桂林电子科技大学学报，2008，28（3）：210-213
同类课题研究水平概述
- 光子晶体的发现，提供了一种全新的控制电磁波传播的机制。通过光子晶体的带隙以及带隙中的缺陷态可以方便地禁止或允许一定频率的电磁波通过。这一特性决定了光子晶体有着广泛的应用潜力。迄今为止，多种基于光子晶体的全新光子学器件相继被提出，包括光子晶体微波天线，无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路，高品质因子的光学微腔（谐振腔）等 光子晶体已经成为国际研究热点，国外在小尺寸光子晶体方面的研究成果十分突出，2005 年, 丹麦技术大学的M.D. Nielsen 等得到了在1550 nm处模场面积高达1550 mm2、损耗仅为0.48 dB/km 的光子晶体光纤。另外AMOLF(原子分子物理学会)的Laurens Kuipers与来自荷兰、比利时与苏格兰的合作者一起发明了一种称为“相敏邻区扫描光学显微镜“的设备，该设备可以测量光子通过光子晶体时的波长和相位。并且通过实验，准确地观察到了光波波形在光子晶体内的变化过程。如果这项技术得以推广，研究光子晶体的手段将大幅度提升。 我们国家也很重视这方面的研究。国内大多利用陶瓷或金属材料构造纳米量级的二维或三维光子晶体，如北京大学的王全等人利用ZnO单分散胶体球自组装了三维光子晶体。而我们的研究主要是针对具有宏观尺寸（厘米量级）的一维微波段光子晶体。另外，我们提出了一种新的用于组装光子晶体的材料，该材料不仅性状稳定，可以制备成具有宏观尺寸的样品，还具有可控介电常数的优良特性，很适合于一维光子晶体滤波器的研制。利用该材料组装成了一维微波段光子晶体。光子晶体的周期长度与波长相当，对于微波段8—12GHz来说，光子晶体的周期长度将很直观，达到厘米数量级。而且依据比例缩放原理，所得结论也可用于光波段或其它波段光子晶体，我们的实验方法同样具有推广价值。这就是我们所研究的微波段光子晶体的主要优势。另外，对于在实验室开设光子晶体相关实验，微波段光子晶体具有很大优势：一方面比较容易制作，方便进行后续各操作；另一方面便于初次接触的同学对光子晶体的结构有比较直观的理解，加深对光子晶体的印象。
